橋梁抗震擋塊研究進展

張 凌

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院, 四川 成都 610000)

橋梁抗震擋塊研究進展

張 凌

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院, 四川 成都 610000)

擋塊作為橋梁重要的橫向限位裝置，在地震過程中，可有效限制上部結構位移，防止落梁的發生，但上部結構與擋塊間的碰撞也會增加傳至下部結構的作用力，增大下部結構的損傷。論文首先介紹了各國規范中對擋塊的設計要求，針對規范中擋塊設計規定欠缺的情況，論文進一步介紹了國內外關于擋塊試驗研究進展，以期為今后國內橋梁抗震擋塊設置提供參考。

橋梁；抗震；擋塊研究

0 前言

通過對前人的橋梁震害調研結果總結分析發現，地震過程中公路橋梁遭到嚴重破壞，而擋塊破壞更為普遍、更為嚴重。主要表現為： 剪裂、剪斷、撞裂、撞斷、撞碎等。其中，曲線橋較直線橋破損嚴重，斜交橋比正交橋破損嚴重，伸縮縫位置處抗震擋塊較非伸縮縫位置抗震擋塊破損嚴重。盡管，從保護下部結構的角度講，橋梁擋塊破壞對于減小橋墩及基礎的地震損傷是有利的，但若擋塊設計得過弱，則在地震作用下破壞而使得梁體發生較大移位，加上梁格間整體性能差則可能引起橫向落梁，也給震后的修復和加固帶來很大不便，而擋塊設計的剛度過大，又會導致下部結構承受彎矩和剪力過大，增大下部構件遭受二次震害的風險。所以擋塊設計問題值得深入思考。

1 滑移擋塊作用機理

擋橋梁防震擋塊的設置，其作用機制可概括為限制上部結構與墩臺頂的相對位移，以防止上部結構產生過大的位移或落梁。擋塊的防震效果不僅與擋塊的強度相關，而且與擋塊的類型、剛度、擋塊與梁體的間隙等存在密切的關系。設置不同剛度的擋塊時，擋塊剛度減小，擋塊抗力峰值減小，且擋塊與上部結構相互作用的時間也增大，即沖擊力減小。如在普通的混凝土擋塊內側加墊橡膠擋塊，其防震效果會得到明顯改善，從橡膠擋塊與混凝土擋塊的隔震響應上考慮，由于橡膠擋塊初始剛度較低，起到了一定的緩沖作用，橡膠擋塊的內力和設有橡膠擋塊的墩臺所承擔的慣性力同混凝土擋塊相比顯著降低，但其對上部結構與墩臺頂相對位移的約束也有所減弱，對抗震不利。

2 國外規范中的擋塊設計方法

2.1 AASHTO 抗震規范

AASHTO 抗震規范把擋塊分為外部擋塊和內部擋塊2 種。內部擋塊的剛度、間隙等不同因素導致每個擋塊承受荷載也不盡相同，但由于它不易檢查和修復，因此基本不提倡應用內部擋塊而采用外部擋塊。擋塊的最低要求是在多遇地震事件中依然保持彈性，在設計地震作用下設計為犧牲性擋塊。

2.1.1 橋臺處擋塊： 為了保護樁基，通常將擋塊設計成犧牲性擋塊，并應當考慮由此引起的內力重分布效應。

2.1.2 墩柱上擋塊： 由于樁柱超強彎矩影響墩柱上的擋塊軸力和剪力并，且應同時需要考慮傾覆彎矩的影響，所以擋塊中的配筋應盡可能地布置在臨近墩柱中心線處，進而把集中力矩減至最小。

2.1.3 鋼構件的擋塊： 對于上下部結構為彈性，支座和擋塊為犧牲性的鋼構件，應考慮其超強能力，并且其最小的橫向設計荷載應采用0. 4g 加速度乘以上部結構質量與彈性抗力的較小值。2.2 Caltrans 抗震設計規范

Caltrans 抗震設計規范通過擋塊的設計和構造措施來控制橋臺處地震力的傳遞，通常線性分析不能正確反映擋塊的地震響應，故座式橋臺不能通過彈性設計來滿足最大可信地震作用下的需求，也不能用獲取的彈性荷載來評估橋臺擋塊，這就很難考慮地震力對擋塊的需求。

3 延性減震擋塊的研究

3.1 犧牲性擋塊

有研究將擋塊分為 4 種模型進行分析和試驗研究，按高厚比擋塊分為： 滑動剪切摩擦型( α ＜ 0． 5) ，壓- 拉桿型( 0． 5 ＜ α ＜ 1． 0) ，彎曲梁型( α＞ 1． 0) ，而第 4 種為基于混凝土開裂強度的分析模型。對內部犧牲性擋塊的試驗研究和模型分析發現：

3.1.1 擋塊的實際能力主要受混凝土的開裂強度影響;

3.1.2 當施加的荷載達到極值時，擋塊的強度和剛度并沒有大幅度降低，其退化值在一定程度上取決于柱的剛度，說明擋塊破壞后不能為上部結構提供額外橫向支承的假設是保守的;

3.1.3 彎梁型擋塊具有良好的彎曲性能，而剪切摩擦型擋塊在設計中通常扮演保險絲的角色。對外部犧牲性擋塊的研究發現：橋臺上單個外部擋塊所能承受的最大荷載應該根據壓—拉桿模型來估計; 彎梁型擋塊具有較高的延性和很好的耗能性能，只在擋塊與橋臺交界面的一個小區域內破壞; 建議在橋臺前墻與擋塊之間設置冷施工縫，并在橋臺前墻后張預應力，這種構造的犧牲性擋塊可作為結構的保險絲，且震后容易修復。

3.2 橡膠減震擋塊

某機構設計了“釘型”和“碗型”兩種新型橡膠減震擋塊，其實現方法是將其粘在原鋼筋混凝土擋塊上，該橡膠減震擋塊面向梁體的一側頂部為向外凸的釘狀或者向內凹的碗狀，背向梁體一側的底部為平面狀，這種結構減少了橡膠減震擋塊與梁體的接觸面積，增加了變形能力，使地震引起的墩帽水平振動對梁體撞擊力成為軟撞擊，并被擋塊吸收和耗散掉，大大減小了撞擊力。通過對這兩種新型擋塊的撞擊試驗和壓縮滯回性能試驗，提出了恢復力模型和剛度取值，并通過分析驗證新型擋塊的減震效果。值得一提的是，將該項技術以及高墩和非規則橋梁抗震設計技術應用于四川多座橋梁，這些橋梁在2008 年的汶川大地震中完好無損。

3.3 新型延性擋塊

有研究機構在普通混凝土擋塊的基礎上，將部分豎向鋼筋在擋塊中部截斷，形成人為薄弱層，在擋塊頂部設計一個面向主梁側的外突起，并在突起部位安放緩沖橡膠。地震時擋塊的上部會先與主梁發生碰撞，當撞擊力超出擋塊薄弱層的最大抗剪能力時，擋塊在薄弱層處發生剪切滑移破壞，隨后薄弱層以下的擋塊繼續與主梁發生碰撞作用，最終起到防止落梁的作用。與普通擋塊在相同條件下分析表明，在不顯著增大橋墩的地震需求時，該抗震擋塊可以有效地降低最大撞擊力，減小橋梁因橫向碰撞破壞和落梁的危險。

基于能量耗散理論及地震動力響應分析，提出滑移擋塊的概念，通過研究滑移擋塊的作用機理，發現滑移擋塊在地震荷載下依靠其滑移產生摩擦阻力而消耗一部分地震能量，不會將巨大地震碰撞力傳遞到下部結構; 同時該擋塊將橋梁破損程度控制在一定范圍內，能量大部分由擋塊承擔，使得橋梁主體結構的破壞均在可接受范圍。為了防止梁體橫向落梁，有學者研發了三種雙層抗震擋塊，其組成形式、安裝方法和抗震機理見表1所示。

表1 雙層抗震擋塊

4 結束語

擋塊作為橋梁橫向支承的主要構件，在地震中的橫向限位作用至關重要; 但若設計得過于強大，則可能使地震力直接傳遞到下部結構，而且擋塊與梁體間碰撞產生的巨大沖擊力可能會進一步擴大破壞。因此，對擋塊的合理設計與施工方法，以及梁體與擋塊間緩沖裝置和延性減震擋塊的研究具有深遠的意義。美國、新西蘭等國對伸縮裝置和防落梁措施( 如擋塊) 的設計方法已有比較系統的規定，國內橋梁工作者對擋塊的認識還處于感性認識階段，并存有很大的盲區，迫切需要通過完善相關規范來指導設計和施工。

[1]石巖,秦洪果. 地震下城市高架橋橫向偏心碰撞響應與防撞效果分析[J]. 石家莊鐵道大學學報(自然科學版). 2011(04)

[2]貢金鑫,張勤,王雪婷.從汶川地震中橋梁震害看現行國內外橋梁抗震設計方法(二)——抗震設計與構造[J]. 公路交通科技. 2010(10)

U45

B

1007-6344（2017）09-0024-01

張凌（1985-）男，漢族,工程師，主要從事橋梁設計工作。